CN113029053B - 通用的ct对轴方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种通用的CT对轴方法，包括以下步骤：在三个旋转角度位置对定位点成像；根据成像几何关系，计算定位点相对旋转轴的位置并将所述定位点移动到旋转轴正上方。

Description

通用的CT对轴方法
技术领域
本发明涉及同步辐射CT成像、X射线CT成像和无损三维检测技术领域，尤其涉及一种通用的CT对轴方法。
背景技术
CT(Computed tomography)是一种三维成像技术，通过采集旋转样品在多个观察角度下的二维像，利用CT重构算法完成物体的三维成像。为了充分利用探测器的有效成像面积，CT过程中需要尽量让旋转轴成像于探测器水平方向中心位置，且样品的中心(或者选取的定位点)置于旋转轴正上方，因此对轴是CT成像中一个非常重要的内容。假设Z轴为光轴方向，Y轴为旋转轴方向，X轴与Y轴和Z轴垂直。为了使样品台能够平动同时样品平动又不影响旋转轴位置，样品旋转台102上有x轴平动电机103和z轴平动电机104，样品旋转台下还有一个X轴平动电机101，如图1所示。当旋转台旋转角度为0°时，x轴与X轴平行，z轴与Z轴平行。在平行束照明下，通常全角度(可360°旋转)CT中，记录定位点在投影角为0°、90°、180°和270°处的投影位置，可实现快速对轴。0°和180°用于调节x轴位置，在其中一个位置通过移动x轴平动电机103使其投影在两者投影位置的中点；90°和270°用于调节z轴位置，在其中一个位置通过移动z轴平动电机104使其投影在两者投影位置的中点，通过两步调节即完成了对轴的第一步，把定位点移至旋转轴正上方。此时，旋转样品台，定位点在探测器成像位置不发生改变。在任意角度下，通过旋转台下的X轴平动电机101整体移动样品旋转台102以及其上的x轴平动电机103和z轴平动电机104，使定位点成像于探测器水平方向中心位置，完成对轴第二步。
很多时候CT成像中旋转角度受限，常规CT对轴方法不再适用。比如同步辐射软X射线纳米显微成像，由于机械结构限制，成像时能接受的样品台最大旋转角度范围通常小于±65°。此外，在成像视场很小的情况下，定位点偏离轴较小距离都可能导致旋转样品时定位点移出视场。因此，需要发展一种适用于角度受限以及小视场CT成像的通用、快速的对轴方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种通用的CT对轴方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种通用的CT对轴方法，包括以下步骤：
在三个旋转角度位置对定位点成像；
根据成像几何关系，计算定位点相对旋转轴的位置并将所述定位点移动到旋转轴正上方。
其中，所述成像几何关系包括：所述定位点在旋转笛卡尔坐标系中的位置为(x0，z0)；当三个旋转角度分别为θ1、θ2和θ3时，定位点在探测器上的成像位置分别为X1、X2和X3。
其中，根据成像几何关系，将定位点移动到旋转轴正上方的步骤包括：
根据成像几何关系，得到如下方程：
Figure BDA0003007956570000021
其中，
Figure BDA0003007956570000022
为成像变换矩阵，Xa为旋转轴在探测器上的成像位置，M为系统放大倍数。
其中，通过求解所述方程得到如下等式：
Figure BDA0003007956570000023
其中，根据所述等式得到x0和z0后，通过沿x轴移动x轴平动电机距离|x0|，沿z轴移动z轴平动电机距离|z0|，即完成将定位点移动到旋转轴正上方，其中，沿x轴或z轴移动方向为正向或负向取决于x0和z0数值正负的相反状态。
其中，还包括根据所述定位点成像位置把所述旋转轴移动到探测器中心位置。
其中，根据所述定位点成像位置把所述旋转轴移动到探测器中心位置是通过位于样品旋转台下方的X轴平动电机来实现的。
基于上述技术方案可知，本发明的CT对轴方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
1.适用于角度受限CT成像。
对轴过程不再需要像常规对轴方法要求至少实现270°旋转，只需要在任意三个角度成像，因此该方法可实现角度受限CT的对轴。
2.适用于小视场CT成像。
基于成像原理，可知
Figure BDA0003007956570000031
是一个缓变函数，当θ1、θ2和θ3非常接近时，X1、X2和X3也非常接近。因此，在小视场情况下，即使定位点离旋转轴较远，可以通过改变成像角度的取值实现小视场CT的对轴。
3.能够快速地完成CT对轴。
本方法可以在只记录三个角度成像位置的基础上，通过定量计算确定旋转轴的位置，从而快速完成对轴。
附图说明
图1是现有技术中的样品台系统结构；
图2是本发明实施例提供的通用的CT对轴方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的投影成像几何示意图；
图4是本发明实施例提供的一种实施案例示意图。
具体实施方式
在CT旋转角度受限或视场较小时，常规的CT对轴方法不再适用。同步辐射软X射线纳米显微成像中成像视场小，CT过程旋转角度小于180°，为了提高对轴效率，本发明提出一种通用的CT对轴方法，快速完成CT前的对轴。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图2所示为通用的CT对轴方法的流程图；其中，该方法包括以下步骤：
在三个旋转角度位置对定位点成像；
根据成像几何关系，将定位点移动到旋转轴正上方；
通过所述定位点成像位置把所述旋转轴移动到探测器中心位置，完成CT对轴。
具体包括：
记录任意三个角度(θ1，θ2，θ3)定位点的成像位置X1、X2和X3；
基于成像变换矩阵
Figure BDA0003007956570000041
利用公式
Figure BDA0003007956570000042
计算定位点位置(x0，z0)以及旋转轴成像位置Xa；
通过移动x轴平动电机-x0，移动z轴平动电机-z0，完成对轴第一步；其中，-x0或-z0表示沿x轴或z轴移动方向为正向或负向取决于x0和z0数值正负的相反状态，比如z0＝3，那么此时为沿z轴负向移动z轴平动电机3个单位长度，当z0＝-3时，那么此时为沿z轴正向移动z轴平动电机3个单位长度。
通过位于样品旋转台下方的X轴平动电机把旋转轴移动到探测器中心位置，完成对轴第二步。
如图3所示为投影成像几何示意图，值得注意的是，在透镜或类透镜成像系统中，X轴与x轴是反向的。圆点为定位点，离旋转轴的距离为ρ。在旋转笛卡尔坐标系中的位置为(x0，z0)。当旋转角度分别在θ1、θ2和θ3时，定位点在探测器上的成像位置分别为X1、X2和X3。同时，旋转轴在探测器上的成像位置为Xa，M为系统放大倍数。根据成像几何关系，可得如下关系式
Figure BDA0003007956570000043
其中
Figure BDA0003007956570000044
为成像变换矩阵，解上述方程，可得如下等式
Figure BDA0003007956570000051
计算得x0和z0后，移动103电机-x0，移动104电机-z0；
通过以上步骤，完成了对轴的第一步，即把定位点移动到旋转轴正上方之后。再根据定位点成像位置把旋转轴移动到探测器中心位置，完成对轴第二步。
至此，完成所有的对轴步骤。
下面结合具体实施案例对本发明的技术方案进行进一步阐述。
以同步辐射纳米显微成像为例，CT成像时旋转角度通常取±60°范围。分析过程中探测器在X方向调了方向，避免了波带片成倒像带来的计算差异，如图4所示。θ1、θ2和θ3分别取θ、0和-θ，则有
Figure BDA0003007956570000052
Figure BDA0003007956570000053
设三个角度处在探测器上成像位置分别为X+、X0和X-。基于式(2)可得
Figure BDA0003007956570000054
Figure BDA0003007956570000055
其中
Figure BDA0003007956570000056
即x轴平动电机103移动量(Lx)和z轴平动电机104移动量(Lz)分别为
Figure BDA0003007956570000057
Figure BDA0003007956570000058
具体可按如下步骤完成对轴：
1.在0°时把定位点移动视场中心，再分别在±1°位置成像，通过公式(7)完成z轴的粗对准。由于电机误差，定位点运动轨迹并不是完全理想的圆弧，θ越小受电机不理想的影响越大，所以第一步为粗对准。
2.继续增大角度与0°的偏移量，确保定位点在±θ时还在视场内，同时让θ尽可能大，记录三个成像位置(0°和±θ)，再次利用公式(7)完成z轴的再对准。
3.分别在0°，±60°记录成像位置，公式(6)和(7)简化为
Figure BDA0003007956570000061
和
Figure BDA0003007956570000062
基于该计算结果完成x轴和z轴的精对准。
4.最后通过设置在样品旋转台下方的X轴平动电机101把定位点成像位置移至探测器中心即完成全部对轴。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种通用的CT对轴方法，其特征在于，包括以下步骤：
在三个旋转角度位置对定位点成像；
根据成像几何关系，计算定位点相对旋转轴的位置并将所述定位点移动到旋转轴正上方；
其中，所述成像几何关系包括：所述定位点在旋转笛卡尔坐标系中的位置为(x0，z0)；
当三个旋转角度分别为θ1、θ2和θ3时，定位点在探测器上的成像位置分别为X1、X2和X3；以及
将定位点移动到旋转轴正上方的步骤包括：
根据成像几何关系，得到如下方程：
Figure FDA0003499395970000011
其中，
Figure FDA0003499395970000012
为成像变换矩阵，Xa为旋转轴在探测器上的成像位置，M为系统放大倍数。
2.根据权利要求1所述的CT对轴方法，其特征在于，通过求解所述方程得到如下等式：
Figure FDA0003499395970000013
3.根据权利要求2所述的CT对轴方法，其特征在于，根据所述等式得到x0和z0后，通过沿x轴移动x轴平动电机距离|x0|，沿z轴移动z轴平动电机距离|z0|，即完成将定位点移动到旋转轴正上方，其中，沿x轴或z轴移动方向为正向或负向取决于x0和z0数值正负的相反状态。
4.根据权利要求1所述的CT对轴方法，其特征在于，还包括根据所述定位点成像位置把所述旋转轴移动到探测器中心位置。
5.根据权利要求4所述的CT对轴方法，其特征在于，根据所述定位点成像位置把所述旋转轴移动到探测器中心位置是通过位于样品旋转台下方的X轴平动电机来实现的。
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